Действующий
Изменение сложившегося облика экономики и общества во многом связывают с широким распространением новых материалов и нанотехнологий в производственных процессах и секторе услуг. В кратко- и долгосрочном периоде основной сферой применения достижений наноиндустрии станет электроника. Функциональные наноматериалы будут использоваться практически во всей компьютерной и радиоэлектронной технике и в подавляющем большинстве видов бытовой техники. В долгосрочном периоде расширится применение новых материалов в автомобильной и авиакосмической отраслях, судостроении, пищевой промышленности, строительном комплексе. Значительные объемы рынков будут сочетаться с высокими темпами роста в сфере производства оборудования для добывающей и обрабатывающей промышленности, фармацевтики и производства медицинского оборудования, электроэнергетики.
Основные группы инновационных продуктов и услуг: топливные элементы, катализаторы для получения инновационных энергоносителей; наноструктурированные материалы для химических источников тока; сенсоры для анализа состава различных сред; датчики физических величин на основе наноматериалов; системы доставки лекарств; наноструктурированные биосовместимые материалы; новые типы легких и высокопрочных материалов; термостойкие наноструктурированные композиционные, керамические и металлические материалы; наноструктурированные композиционные и керамические материалы и покрытия с особыми термическими свойствами (теплопроводящие, терморегулирующие); наноструктурированные антикоррозионные покрытия; наноструктурированные антифрикционные и адгезивные материалы; наноструктурированные гидрофобные материалы; радиационностойкие и радиозащитные наноструктурированные композиционные материалы и покрытия; наноструктурированные композиционные материалы с особыми оптическими свойствами (фотонные кристаллы); солнечные батареи нового поколения; излучатели (в т.ч. лазеры и органические светодиоды) на основе наногетероструктур; композиционные, керамические материалы и нанофлюидика с особыми магнитными свойствами; элементы электроники на основе графена, фуллеренов, углеродных нанотрубок, квантовых точек; элементы электроники на базе мемристоров; наноструктурированные композиционные материалы с особыми электропроводящими свойствами, включая сверхпроводящие материалы; нано- и микроробототехнические системы; наноструктурированные материалы с эффектом памяти формы и "самозалечивающиеся" материалы; наноструктурированные материалы и реагенты для процессов водоочистки (водоподготовки, переработки пищевого сырья); газоразделительные мембранные наноматериалы; молекулярная самосборка и самоорганизация наномеханических систем.
Уровень российских исследований в сфере нанотехнологий и новых материалов оценивается достаточно высоко, в частности, в таких областях, как разработка наноразмерных катализаторов для глубокой переработки сырья и создание наноструктурированных мембранных материалов. Однако существуют и "белые пятна" - области, в которых результаты проводимых в стране исследований пока недостаточны (например, разработка конструкционных материалов для энергетики).
Ожидаемые результаты: градиентные покрытия на основе нанокомпозитов с эффективной защитой узлов и агрегатов от внешних факторов; композиционные интерметаллидные наноструктурированные покрытия для защиты конструкций в экстремальных условиях; углеволокнистые композиты с керамической матрицей на основе высокопрочных, высокомодульных нитей с пониженной массой и повышенной термостабильностью для производства элементов конструкции самолетов, ракет и космических станций; конструкционные материалы нового поколения с новой архитектурой и свойствами, в первую очередь механическими: повышенной прочностью, пластичностью, твердостью, трещиностойкостью, сопротивлением усталости и др.; функциональные материалы нового поколения с новыми свойствами (оптическими, транспортными, излучательными и др.), обусловленными наличием структурных элементов наномасштабных размеров; многоядерные процессоры на основе фотонных нанопереключателей, повышающие пропускную способность внутричиповых соединений при снижении энергопотребления; солнечные батареи, преобразующие до 90% световой энергии в электрическую, батареи, использующие инфракрасный диапазон и коротковолновую область солнечного спектра; новые материалы для альтернативных источников электроэнергии на основе нанотехнологий; сверхмощные керамические магниты для изготовления высокоэффективного электроэнергетического оборудования и его компонентов и др.
2. Гибридные материалы, конвергентные технологии, биомиметические материалы и материалы медицинского назначения:
Ожидаемые результаты: костные импланты на основе биорезорбируемых нанокерамик и биокомпозитов, поставляющие материал для достраивания живых тканей организма, заполнения костных дефектов и др.; создаваемые с использованием биосовместимых нанокомпозитов на основе нанопористых соединений средства направленной доставки лекарств и воздействия на онкологические новообразования; нанокомпозиты на основе плазмидных ДНК и интерферирующих РНК для направленной доставки генетического материала; устройства для прямого считывания последовательности нуклеотидов, изготовленные с использованием наноструктурированной поверхности.
Моделирование структуры и свойств материалов как функции их состава и организации с выходом на функциональные и конструкционные свойства материалов.
Моделирование процессов роста, агрегации, самосборки и самоорганизации наноматериалов и супрамолекулярных систем.
Моделирование процессов переноса заряда и энергии в наноструктурированных материалах, в т.ч. многослойных.
Моделирование новых комплексных систем с использованием самоорганизующихся соединений и наноструктур в целях создания интеллектуальных материалов для "умных" конструкций.
Моделирование новых материалов искусственного и синтетического происхождения, воспроизводящих отдельные функции биологических объектов.
Ожидаемые результаты: новые концепции и программы предсказательного многомасштабного моделирования материалов и процессов (включая проверку расчетов на массиве экспериментальных данных); новые методы многопараметрического расчета сложных систем, обладающих биологическими свойствами и созданных на основе биохимически активных материалов, интеллектуальные материалы для "умных" конструкций и др.
Разработка применяемых для диагностики материалов перспективных технологий, основанных на принципах взаимодействия физических полей и обеспечивающих высокую информативность и достоверность результатов исследования объектов.
Разработка неразрушающих методов исследования материалов и процессов в режимах in-situ и operando (синтез, включая процессы самосборки; модификация и перестройка наночастиц; деградация; химические процессы, протекающие с участием наночастиц, и др.).
Разработка методов визуализации нанообъектов (атомно-силовая, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия).
Разработка методов исследования поверхности наночастиц и наноматериалов (дифракция быстрых и медленных электронов, рентгеновская фотоэлектронная, оже-спектроскопия).
Разработка специальных методов локального определения химического состава материалов, включая наноматериалы.
Ожидаемые результаты: перспективные диагностические системы; конкурентоспособные технологии, обеспечивающие высокую информативность и достоверность результатов, полученных в ходе исследования внутренней структуры объектов; новые концепции контроля состояния сложных систем в ходе физических и химических процессов; новые системы визуализации поверхности материалов с атомным разрешением.
Окружающая среда в эпоху глобализации и бурного научно-технологического развития становится все более уязвимой. Дальнейшее следование сложившемуся инерционному сценарию в этой сфере грозит значительными рисками (истощение ряда критически важных ресурсов, изменение климата, рост техногенной нагрузки и загрязнение природных сред, дефицит качественных водных ресурсов, потеря биоразнообразия и др.).
Для России необходимость создания научно-технологических заделов в сфере рационального природопользования диктуется не только возможностями получения значимых долей на перспективных рынках, но и угрозой потери существующих позиций в традиционных сегментах вследствие постоянного ужесточения международных экологических стандартов качества продукции и используемых для ее производства технологий.
Перспективы развития данного приоритетного направления определяют следующие вызовы: вспышки численности животных и инвазии чужеродных видов; рост заболеваемости и смертности от загрязнения воздуха, водоемов и водостоков; распространение в новые районы заболеваний, вызванных климатическими причинами; распространение в окружающей среде новых загрязняющих веществ (включая наночастицы); потеря биоразнообразия; введение торговых ограничений в сфере "углеродного протекционизма"; усиление миграционных процессов, вызванное экологическими и климатическими факторами; рост добычи нефти из нефтеносных песков и горючих сланцев; усиление неблагоприятных геоморфологических и эрозионно-русловых процессов и изменений в криосфере; увеличение доли городского населения; изменения климата, усиление опасных гидрометеорологических процессов; рост численности населения, проживающего в условиях "водного стресса"; истощение запасов некоторых стратегических минеральных ресурсов.
Развитие приоритетного направления в средне- и долгосрочной перспективе определяется следующими окнами возможностей:
экономические, социальные и экологические: рост нефтегазодобычи на шельфе, ускоренное освоение Арктики; развитие экологически чистого транспорта; освоение трудноизвлекаемых углеводородных ресурсов; рост мирового спроса на продукты питания; увеличение затрат на охрану окружающей среды; введение юридически обязывающих ограничений на выбросы углекислого газа; освоение подземного пространства городов и сельских поселений; рост мобильности населения, связанной с рекреационным использованием территории; экологизация экономики и "зеленый рост" в развитых странах мира; повышение эффективности использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов; снижение доступности пресной воды и усиление конкуренции за воду;
научно-технологические: развитие комплексных исследований Арктической зоны; методов прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; разработка технологий экологически безопасной утилизации всех видов отходов и обезвреживания токсикантов; создание эффективных технологий дистанционной оценки состояния экосистем; развитие технологий рециклинга и повторного использования сточных вод; распространение материалов с новыми свойствами и технологий "зеленого" строительства; развитие многофункциональных и проблемно-ориентированных ГИС и перспективных интеллектуальных экспертных систем; разработка принципиально новых энергосберегающих технологий добычи и глубокой переработки минерального и техногенного сырья всех видов (твердого, жидкого, газообразного); методов прогнозирования гидрометеорологических процессов, в т.ч. опасных и экстремальных; технологий альтернативной энергетики, в т.ч. производства биотоплива; теории изменений климата; методов оценки природного и антропогенного риска; технологии освоения нетрадиционных ресурсов углеводородов; повышение коэффициента извлечения углеводородов на эксплуатируемых месторождениях.
Угрозы для России в указанной сфере: неблагополучное состояние окружающей среды (загрязнение атмосферного воздуха, водных объектов, почв, деградация биотических компонентов и экосистем); рост объемов отходов производства и потребления, накопленного экологического ущерба; нарастание негативного воздействия изменений климата, в т.ч. опасных гидрометеорологических явлений (наводнений, паводков, снежных лавин и селей, ураганов, шквалов и др.); недостаточная эффективность мониторинга последствий природных и техногенных катастроф; отсутствие рынка экологических услуг; истощение дешевых запасов качественных углеводородов, а также ряда других стратегически важных природных ресурсов (фосфоритов, редкоземельных металлов и др.); низкий уровень извлечения сырья при разработке месторождений углеводородов; значительная доля устаревших, экологических грязных производств низкого уровня передела; низкая культура экологического поведения; недостаточные объемы и низкая эффективность геологоразведочных работ.